(57)【要約】  ループ型ヒートパイプの作動時に、作動流体が高温・高圧になった場合にも蒸発器ケースとウィックの熱的な密着を維持し安定した冷却性能を実現する。  発熱体からの熱で作動流体を気化させる蒸発器と、気体された作動流体を凝縮させる凝縮器とを連結管でループ状に接続したループ型ヒートパイプにおいて、前記蒸発器は、前記発熱体との接触面を有し前記連結管から供給される前記作動流体を蒸発させる第１空間と、前記第１空間を構成する面のうち、前記接触面以外の少なくとも１つの面に設けられる第２空間とを有し、前記第１空間と第２空間を隔てる隔壁に、前記第１空間と第２空間を連通する連通穴を設けた構成とする。
2011121819.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱体からの熱で作動流体を気化させる蒸発器と、気化された作動流体を凝縮させる凝縮器とを連結管でループ状に接続したループ型ヒートパイプであって、
前記蒸発器は、
前記発熱体との接触面を有し、前記連結管から供給される前記作動流体を蒸発させる第１空間と、
前記第１空間を構成する面のうち、前記接触面以外の少なくとも１つの面に設けられる第２空間と、
を有し、前記第１空間と第２空間を隔てる隔壁に、前記第１空間と第２空間を連通する連通穴が設けられていることを特徴とするループ型ヒートパイプ。
【請求項２】
前記第２空間は、少なくとも前記第１空間の前記発熱体との接触面と反対側の面に形成されることを特徴とする請求項１に記載のループ型ヒートパイプ。
【請求項３】
前記作動流体の蒸気圧は大気圧よりも高く、前記第２空間と大気を隔てる外壁の厚さが、前記第１空間と第２空間を隔てる隔壁の厚さよりも薄いことを特徴とする請求項２に記載のループ型ヒートパイプ。
【請求項４】
前記作動流体の蒸気圧は大気圧よりも高く、前記第１空間と第２空間を隔てる隔壁が、前記第１空間側に向かって湾曲していることを特徴とする請求項２に記載のループ型ヒートパイプ。
【請求項５】
前記作動流体は、ペンタン、ブタン、及びアンモニアから選択されることを特徴とする請求項４に記載のループ型ヒートパイプ。
【請求項６】
発熱体からの熱で作動流体を気化させる蒸発器と、気化された作動流体を凝縮させる凝縮器とを連結管でループ状に接続したループ型ヒートパイプであって、
前記蒸発器は、
前記発熱体との接触面を有し、前記液管から供給される前記作動流体を蒸発させる第１空間と、
前記第１空間を構成する面のうち、前記接触面以外の少なくとも１つの面に設けられ、同一温度において前記作動流体よりも飽和蒸気圧の高い第２の流体を密封する第２空間と、
を有することを特徴とするループ型ヒートパイプ。
【請求項７】
前記ループ型ヒートパイプの非作動時には、前記第２の流体の少なくとも一部は液相であることを特徴とする請求項６に記載のループ型ヒートパイプ。
【請求項８】
前記第１空間と第２空間を隔てる隔壁の厚さが、前記第２空間と大気を隔てる外壁の厚さよりも薄いことを特徴とする請求項７に記載のループ型ヒートパイプ。
【請求項９】
前記第１空間の内部には、前記第１空間の内壁に沿って多孔質体が設けられ、前記多孔質体の中に、前記連結管により供給される作動流体の通路が形成されていることを特徴とする請求項１又は６に記載のループ型ヒートパイプ。
【請求項１０】
前記蒸発器はステンレスよりも熱伝導率の高い材料で形成されていることを特徴とする請求項１又は６に記載のループ型ヒートパイプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子機器等の冷却に用いられるループ型ヒートパイプに関する。
【背景技術】
【０００２】
各種発熱体を冷却するためのデバイスとして、作動液（液体状態にある作動流体）を発熱体からの熱で気化させるための蒸発器と、気化した作動液を放熱により凝縮させるための凝縮器とを、蒸気管及び液管によりループ状に接続したループ型ヒートパイプが知られている（たとえば、特許文献１参照）。【０００３】
図１Ａ〜図１Ｃは従来の蒸発器１０００の構造を示す図である。図１Ａは作動流体が流れる方向の断面図、図１Ｂ及び図１ＣはそのＡ−Ａ'断面図である。電子部品等の発熱体１０１０は、多くが平面型をしている。そのため、ループ型ヒートパイプの蒸発器１０００も発熱体１０１０と密着しやすいように、受熱面１００２が平面型となっている。ループ型ヒートパイプの冷却性能を向上するために蒸発器１０００の内部容積をできるだけ大きくする必要があるが、外形をできるだけコンパクトにする要請もあることから、双方の要求を満たす平板型ヒートパイプが用いられる。【０００４】
作動時（加熱時）に発熱体１０１０を効率よく冷却するためには、液管１００３から蒸発器１０００に供給された作動液１００６を効率よく蒸発させる必要がある。そのため、蒸発器ケース１００１とウィック１００７とを熱的に密着させて、蒸発器ケース１００１からの熱をウィック１００７に効率よく伝え、ウィック１００７に含浸された作動液１００６を迅速に気化させる必要がある。蒸発、気化された作動流体は、ウィック１００７に形成されたグルーブ１００５を通って蒸気管１００４に導かれる。しかし、蒸発器１０００が加熱され、内部の作動流体が高温となった場合に、蒸発器ケース１００１とウィック１００７の密着性が低下する場合が生ずる。この様子を図１Ｃに示す。【０００５】
図１Ｃにおいて、作動流体の飽和蒸気圧がループ型ヒートパイプの作動温度下で大気圧を超えた場合、蒸発器ケース１００１の壁面は、作動流体の内圧によって外部に押圧される。具体的には、ループ型ヒートパイプを常温、常圧下で用いる場合、大気圧下における沸点が室温以上である作動流体（例えば、ペンタンやＲ１４１Ｂ、ブタン、アンモニアなど）を用いた場合に、蒸発器ケース１００１に変形が生じる。蒸発器の形状が円筒型であれば、円周方向に内圧が分散されるため蒸発器ケースの膨張は少ないが、図１Ｃのように平板型ヒートパイプの場合、面積が大きい上面に内圧が集中し、ケース壁面が膨張する。特に電子機器の小型・軽量化の要求から平板型の蒸発器とした場合には、蒸発器本体をできるだけ薄型にしたいため、蒸発器ケース１００１において、内圧に耐えられるだけの十分な剛性が得られる厚さを確保することが難しい。蒸発器ケース１００１が内圧により膨張した場合、蒸発器ケース１００１と内部のウィック１００７の接触面（特に、ＣＰＵ等の発熱体１０１０に固定されている下面よりも蒸発器ケース１００１の上面）の密着性が悪化する。さらに高温下では、蒸発器ケース１００１とウィック１００７の間に隙間１０２０が生ずる。この状態では蒸発器ケース１００１からウィック１００７へ熱が伝わらず、ウィック１００７の表面から作動流体が蒸発できずに冷却性能が低下するといった問題が生じる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−２１８８８７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで本発明は、ループ型ヒートパイプの作動時に蒸発器内部の作動流体が高温・高圧となった場合でも、蒸発器ケースとウィックの熱的な密着を維持し、ループ型ヒートパイプの作動状態において安定した冷却性能を実現するループ型ヒートパイプを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するために、本発明のひとつの側面では、発熱体からの熱で作動流体を気化させる蒸発器と、気体された作動流体を凝縮させる凝縮器とを連結管でループ状に接続したループ型ヒートパイプにおいて、前記蒸発器は、
前記発熱体との接触面を有し、前記連結管から供給される前記作動流体を蒸発させる第１空間と、
前記第１空間を構成する面のうち、前記接触面以外の少なくとも１つの面に設けられる第２空間と、
を有し、前記第１空間と第２空間を隔てる隔壁に、前記第１空間と第２空間を連通する連通穴が設けられている構成とする。【０００９】
本発明の別の側面では、発熱体からの熱で作動流体を気化させる蒸発器と、気体された作動流体を凝縮させる凝縮器とを連結管でループ状に接続したループ型ヒートパイプにおいて、前記蒸発器は、
前記発熱体との接触面を有し、前記液管から供給される前記作動流体を蒸発させる第１空間と、
前記第１空間を構成する面のうち、前記接触面以外の少なくとも１つの面に設けられ、同一温度において前記作動流体よりも飽和蒸気圧の高い第２の流体を密封する第２空間と
を有する構成とする。
【発明の効果】
【００１０】
上述した構成により、ループ型ヒートパイプの作動時に蒸発器内部の作動流体が高温・高圧になった場合でも、蒸発器ケースとウィックの密着性を良好に維持して、安定した冷却性能を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１Ａ】ループ型ヒートパイプで用いられる従来の平板型蒸発器の構成を示す図であり作動流体の流れる方向に沿った断面図である。
【図１Ｂ】図１ＡのＡ−Ａ'断面図であり、動作停止時の状態を示す図である。
【図１Ｃ】図１ＡのＡ−Ａ'断面図であり、従来の平板型蒸発器における加熱時の問題点を説明するための図である。
【図２】本発明が適用されるループ型ヒートパイプの全体構成を示す図である。
【図３Ａ】第１実施例の蒸発器の構成を示す図であり、作動流体の流れる方向に沿った断面図である。
【図３Ｂ】図３ＡのＡ−Ａ'断面図である。
【図４】各作動流体の温度−飽和蒸気圧曲線のグラフである。
【図５Ａ】第１実施例の効果を説明するための模式図であり、動作停止時の蒸発器状態を示す図である。
【図５Ｂ】第１実施例の効果を説明するための模式図であり、加熱時の蒸発器の状態を示す図である。
【図６Ａ】第１実施例の蒸発器の搭載例を示す概略断面図である。
【図６Ｂ】図６Ａの蒸発器の搭載例の斜視図である。
【図７】第１実施例の蒸発器を用いたループ型ヒートパイプの効果を示すグラフである。
【図８Ａ】第１実施例の蒸発器の変形例１を示す図であり、動作停止時の蒸発器の状態を示す図である。
【図８Ｂ】図８Ａの変形例１における加熱時の蒸発器の状態を示す図である。
【図９Ａ】第１実施例の蒸発器の変形例２を示す図であり、動作停止時の蒸発器の状態を示す図である。
【図９Ｂ】図９Ａの変形例２における加熱時の蒸発器の状態を示す図である。
【図１０Ａ】第２実施例の蒸発器の構成を示す図であり、作動流体の流れる方向に沿った断面図である。
【図１０Ｂ】図１０ＡのＡ−Ａ'断面図である。
【図１１Ａ】第２実施例の効果を説明するための模式図であり、動作停止時の蒸発器の状態を示す図である。
【図１１Ｂ】第２実施例の効果を説明するための模式図であり、加熱時の蒸発器の状態を示す図である。
【図１２Ａ】第２実施例の変形例１を示す図であり、動作停止時の蒸発器の状態を示す図である。
【図１２Ｂ】図１２Ａの変形例１における加熱時の状態を示す図である。
【図１３Ａ】第２実施例の蒸発器の搭載例を示す概略断面図である。
【図１３Ｂ】図１３Ａの蒸発器の搭載例を示す斜視図である。
【図１４】第２実施例の蒸発器を用いたループ型ヒートパイプの効果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００１２】
図２は、本発明が適用されるループ型ヒートパイプ１の全体構成を示す図である。ループ型ヒートパイプ１は、液体状態にある作動流体を発熱体（電子部品等）からの熱で気化させるための蒸発器１０と、気体状態にある作動流体を放熱により凝縮させるための凝縮器１１とを、蒸発器１０からの作動流体を凝縮器１１に供給するための蒸気管１４、及び凝縮器１１からの作動流体を蒸発器１０に供給するための液管１３によりループ状に接続したものである。液管１３と蒸気管１４を合わせて連結管とする。図２の例では、凝縮部１１近傍に送風ファン１２を設けて冷却を促進する構成としている。【００１３】
なお、蒸気管１４と液管１３の内部の流体は、必ずしも１００％蒸気、あるいは１００％液体ということではなく、いずれも混相流である。ループ型ヒートパイプ１が作動しているときは、蒸気管１４の内部はほとんどが蒸気であり、液管１３の内部はほとんどが液体であるため、便宜上、「蒸気管」、「液管」と称する。【００１４】
図３Ａ及び図３Ｂは第１実施例の蒸発器１０の構成を示す図である。図３Aは作動流体が流れる方向に沿った断面図、図３Bは図３AのＡ−Ａ'ラインに沿った断面図である。第１実施例では、蒸発器１０は、液供給通路４６を有する蒸発室（第１空間）４０Ａと、蒸発室の圧力を調整するための圧力調整室（第２空間）４０Ｂを有し、蒸発室４０Ａと圧力調整室４０Ｂとを仕切る隔壁５１には、蒸発室４０Ａと圧力調整室４０Ｂを連通する圧力調整穴５５が形成されている。【００１５】
図３Ａ及び図３Ｂの例では、蒸発器ケース４０の底面が受熱面４２となっている。蒸発器１０は、受熱面４２が電子部品等の発熱体と接触するように発熱体上に搭載され（図６Ａ参照）、電子部品からの熱を受け取る。蒸発室４０Ａの内壁にはウィック（多孔質体）４７が機械的・熱的に接触している。液管１３によって蒸発室４０Ａに供給された作動液（液体状態の作動流体）４９は、ウィック４７に含浸される。含浸された液体は、蒸発器ケース４０からウィックに伝わった熱によって加熱される。蒸発器１０の内部は、作動流体の飽和蒸気圧に保たれており、作動液の温度が内部の飽和蒸気圧における沸点を超えた時点で蒸発気化する。このとき、作動流体は潜熱エネルギーを取り込む。潜熱エネルギーを取り込んだ蒸気は、ウィック４７に形成されたグルーブ（蒸気排出用溝）４５を通過し蒸気管１４に流れ込むとともに、その一部は圧力調整穴５５を通って圧力調整室４０Ｂに流れ込む。これによって、蒸発室４０Ａと圧力調整室４０Ｂは、ほぼ同じ圧力になる。なお、作動流体４９の使用温度範囲における飽和蒸気圧は、ループ型ヒートパイプ１を使用する環境下の大気圧以上である。【００１６】
図３Ａ及び図３Ｂに示す蒸発器１０の具体的な構成例を説明する。蒸発器ケース４０は、全体の高さが１８ｍｍ、幅６０ｍｍ、長さ７０ｍｍ平板型である。蒸発室４０Ａの上面側に圧力調整室４０Ｂを設けた二重構造とし、圧力調整室４０Ｂは、高さ１ｍｍ、幅５６ｍｍ、長さ６６ｍｍの空間を構成する。圧力調節室４０Ｂは、蒸発室４０Ａと厚さ２ｍｍの隔壁５１で隔てられており、隔壁５１には、蒸発室４０Ａの蒸気側に通ずる直径１ｍｍの圧力調節穴５５が設けられている。蒸発室４０Ａの室内寸法は、高さ１１ｍｍ、幅５６ｍｍ、長さ６６ｍｍであり、壁面の厚さは全体的に２ｍｍである。【００１７】
蒸発器ケース４０や隔壁５１の材質は、第１実施例においては無酸素銅を用いた。従来の平板型蒸発器は高い内圧に耐えられるように剛性率が高いステンレスなどの材料が用いられることが多いが、第１実施例では、後述するように必ずしも剛性が高い材料を使う必要はない。むしろ蒸発器ケース４０の温度分布が均一となるようにステンレスよりも熱伝導率の高い材料を用いるのが好ましい。たとえば軽量化のためにアルミ合金などの材料を用いても良い。【００１８】
蒸発室４０Ａの内部に配置されるウィック４７は焼結ニッケル製であり、ポーラス径は１０μm、空孔率は約５０％である。ウィック４７の外形寸法は高さ１１ｍｍ、幅５６ｍｍ、長さ５０ｍｍであり、蒸発室４０Ａの内壁に密着した状態で収まるように、特に高さ寸法が精密に作製されている。またウィック４７の上面と下面（蒸発室４０Ａの上面と下面に接する面）には幅１ｍｍ、深さ２ｍｍの蒸気通路（グルーブ）４５が、３ｍｍピッチで１５本ずつ形成されている。ウィック４７の中央部には、液管１３から供給される作動液４９をウィック４７の内部に引き込むため、高さ３ｍｍ、幅４０ｍｍ、長さ４０ｍｍの液供給通路４６が設けられている。【００１９】
蒸発器１０と凝縮部１１を結ぶ蒸気管１４、液管１３は、ともに外径６ｍｍ、内径５ｍｍ、長さ約３００ｍｍの銅パイプである。凝縮部１１は、蒸気管１４や液管１３と同様に、外径６ｍｍ、内径５ｍｍ、長さ４００ｍｍの銅パイプであり、パイプの周囲に放熱フィンを熱的に接続し、送風ファン１２で冷却する構成としている（図２参照）。【００２０】
第１実施例では、作動流体４９としてｎ−ペンタンを使用しているが、ブタンやアンモニアなどの蒸気圧が高い流体を用いても良い。【００２１】
図４は、各種流体の蒸気圧曲線を示すグラフである。作動流体４９としてｎ−ブタンを用いたときの大気圧下での沸点は、約３６℃である。ループ型ヒートパイプ１の作動時には、作動流体４９の温度は５０〜７０℃付近となるため、作動流体４９にブタンまたはペンタンを用いた場合、その蒸気圧は大気圧以上となる。図１Ａに示す従来の蒸発器構成の場合、図１Ｃのように作動流体の内圧によりケース１００１の上面が膨れるため、蒸発器ケース１０００と内部のウィック１００７の密着性が悪化し、性能が低下していた。これに対し、第１実施例では、蒸発器１０を二重構造にして蒸発室４０Ａの上面側に圧力調節室４０Ａを設け、ウィック４７の表面から蒸発する蒸気が圧力調節室４０Ｂに流れるように隔壁５１に圧力調整穴５５を設けた場合、蒸発室４０Ａと圧力調節室４０Ｂは、同じ圧力になる。【００２２】
図５Ａ及び図５Ｂは、第１実施例の効果を説明するための模式図である。作動流体４９にブタンを用いた場合、電子部品２０から放出される熱によりウィック４７に含浸された作動流体が加熱されると、蒸発室４０Ａ内の蒸気圧は上昇する。気化した作動流体は圧力調整穴５５から圧力調整室４０Ｂ内へ流れ込むので、蒸発室４０Ａから隔壁５１にかかる蒸気圧と、圧力調節室４０Ｂから隔壁５１にかかる蒸気圧とはほぼ等しくなり、図５Ｂに示すように、ウィック４７と接触する隔壁５１が内圧によって変形することはない。一方、蒸発器ケース４０の上面５３（第１実施例では、圧力調整室４０Ｂの上面でもある）は、外部の大気圧に比べてブタンの飽和蒸気圧の方が高いので、外側に向かって膨張し湾曲する。しかし、隔壁５１自体には変形はないので、作動液４９の蒸気圧によって蒸発室４０Ａの内圧が高くなった場合でも、蒸発室４０Ａとウィック４７は良好な熱接触を保つことができる。【００２３】
図６Ａ及び図６Ｂは、第１実施例の蒸発器１０の搭載例を示す図である。ループ型ヒートパイプ１の蒸発器１０は、サーマルグリース２１を介して、プリント基板３０上の電子部品２０上に配置され、取り付けネジ３１によりプリント基板３０に固定される。蒸発器１０の発熱量は、第１実施例では約６０Ｗである。このとき、図示しない凝縮部１１を送風ファン（φ９０ｍｍ、１２Ｖ駆動）１２によって室温下（２５℃）で冷却する。【００２４】
図７は、このように構成したループ型ヒートパイプの冷却性能を示すグラフである。比較例として、図１に示した従来構造の蒸発器を組み込んだループ型ヒートパイプを作製し、作動実験を行って、第１実施例のループ型ヒートパイプ１と冷却性能を比較した。グラフの横軸は、ヒータ加熱量（電子部品の発熱量）、縦軸は、蒸発器１０と凝縮部１１の熱抵抗を示す。熱抵抗は、蒸発器１０の受熱面４２の温度と凝縮部１１の平均温度の差を発熱体２０の熱量で除した値である。熱抵抗値が低いほど、すなわち、受熱面４２と凝縮部１１の温度差が小さいほど、蒸発器１０から凝縮部１１に効率よく熱が伝達され、高い冷却性能を持つことを示す。【００２５】
従来技術のループ型ヒートパイプの場合、発熱量が高くなるほど蒸発器の内圧が高まり、図１Ｃのように蒸発器ケース１００１とウィック１００７の隙間が拡大し、冷却性能が低下（熱抵抗が増大）する。これに対し、第１実施例の場合は、発熱量が高くなって蒸発器の温度が高温となった場合でも、図５に示すように、蒸発器ケース４０内の隔壁５１とウィック４７の熱接触が良好に維持された状態を確保できるため、高い冷却性能を保つこと（熱抵抗を低く維持）が可能である。【００２６】
図８Ａ及び図８Ｂは、第１実施例の変形例１を示す図である。変形例１では、圧力調節室６０Ｂを構成する蒸発器ケース６０の外壁（たとえば上面）６３を、蒸発室６０Ａと圧力調節室６０Ｂを仕切る隔壁６１よりも薄く設定する。たとえば、隔壁６１の厚さを２ｍｍ、蒸発器ケース６０の上面６３の厚さを１ｍｍとする。動作停止時は図８Ａに示すように圧力調整室６０Ｂの変形はない。一方、加熱時には、図８Ｂに示すように圧力調整室６０Ｂが膨張する。内側の隔壁６１よりも外側壁面（上面）６３を薄くすることで、圧力調整室６０Ｂに流れ込んだ蒸気圧を受けて外側壁面６３は外側（大気側）に変形するが、内側の隔壁６１にはほとんど変形が生じない。この構成は、内側隔壁６１とウィック４７の密着性を一定に保持するのに効果的である。なお、図８では外壁６３の厚さを隔壁６１の厚さの１／２としているが、この例に限定されず、隔壁６１の形状に影響を与えることなく外壁６３が変形することのできる適切な厚さに設定することができる。用いる作動流体の種類にもよるが、たとえば外壁６３の厚さを隔壁６１の厚さの１／５〜２／３の範囲で適切にに設定することができる（この範囲で問題がないかご確認ください）。【００２７】
図９Ａ及び図９Ｂは、第１実施例の変形例２を示す図である。変形例２では、蒸発器ケース７０の上面７３と内側の隔壁７１の厚さは同程度であるが、隔壁７１をウィック４７が配置されている蒸発室７０Ａ側にわずかに湾曲させておく。動作停止時は図９Ａに示すように圧力調整室７０Ｂの変形はない。一方、加熱時には、図９Ｂに示すように圧力調整室７０Ｂが膨張する。この構成では、圧力調節穴７５から圧力調節室７０Ｂに流れ込んだ蒸気により蒸発器ケース７０の外側壁面（上面）７３が外側に膨張するときに、内側の隔壁７１もウィック４７側への湾曲の度合いを増す方向に変形する。その結果、隔壁７１をウィック４７に対して押圧する力が働く。これにより、隔壁７１とウィック４７の密着性がより高まり、ループ型ヒートパイプの冷却性能が向上する。【００２８】
以上のように、第１実施例の構成によれば、簡単な構成でループ型ヒートパイプの冷却性能を向上・安定させ、電子機器の安定した動作が実現する。
【実施例２】
【００２９】
図１０Ａ及び図１０Ｂは、本発明の第２実施例の蒸発器８０の構成を示す図である。図１０Aは作動流体が流れる方向に沿った断面図、図１０Bは図１０AのＡ−Ａ'ラインに沿った断面図である。第２実施例では、蒸発器８０は、液供給通路８６を有する蒸発室（第１空間）９０Ａと、気密性を有する第２流体室（第２空間）９０Ｂを有する。第２流体室９０Ｂは、同一温度において蒸発室９０Ａに供給される作動流体の飽和蒸気圧よりも高い飽和蒸気圧を有する第２流体１００を収容するための空間である。第２流体１００の少なくとも一部は液相１００ｂである。図４のグラフを参照するならば、作動流体としてエタノールを用いる場合は、第２流体として、エタノール、ペンタン、ブタン、アンモニア等を一部液相の状態で封入する。作動流体がペンタンである場合は、第２流体とペンタン、ブタン、アンモニア等を一部液相の状態で封入する。【００３０】
図１０Ａ及び図１０Ｂの例では、蒸発器ケース９０の底面が受熱面８２となっている。蒸発器８０は、受熱面８２が電子部品等の発熱体２０と接触するように発熱体２０上に搭載されて、電子部品からの熱を受け取る（図１１Ａ及び図１１Ｂ参照）。蒸発室９０Ａの内壁にはウィック（多孔質体）４７が機械的・熱的に接触している。液管８３によって蒸発室９０Ａに供給された作動液８９は、ウィック４７に含浸され、蒸発器ケース４０からウィック４７に伝わった熱によって加熱され、気化される。気化された蒸気は、ウィック４７に形成されたグルーブ４５から蒸気管８４に流れ込む。一方、電子機器の作動時には、第２流体室９０Ｂに封入されている第２流体も蒸発器ケース９０を伝達する熱によってその一部が気化し、気相１００ａと液相１００ｂの両方が存在する状態となっている。【００３１】
図１０Ａ及び図１０Ｂに示す蒸発器８０の具体的な構成例を説明する。蒸発器ケース８０は、全体の高さが１８ｍｍ、幅６０ｍｍ、長さ７０ｍｍ平板型である。蒸発室９０Ａの上面側に第２流体質９０Ｂを設けた二重構造とし、第２流体質９０Ｂは、高さ１ｍｍ、幅５６ｍｍ、長さ６６ｍｍの密閉空間とする。第２流体室９０Ｂは、蒸発室９０Ａと厚さ２ｍｍの隔壁９１で隔てられている。蒸発室９０Ａの室内寸法は、高さ１１ｍｍ、幅５６ｍｍ、長さ６６ｍｍであり、壁面の厚さは全体的に２ｍｍである。【００３２】
蒸発器ケース９０や隔壁９１の材質は、第２実施例においては無酸素銅を用いている。従来の平板型蒸発器は高い内圧に耐えられるように剛性率が高いステンレスなどの材料が用いられることが多いが、第２実施例では、後述するように必ずしも剛性が高い材料を使う必要はない。むしろ蒸発器ケース９０が均一な温度となるようにステンレスよりも熱伝導率の高い材料を用いるのが好ましく、たとえば軽量化のためにアルミ合金などの材料を用いても良い。【００３３】
蒸発室９０Ａの内部に配置されるウィック４７は焼結ニッケル製であり、ポーラス径は１０μm、空孔率は約５０％である。ウィック４７の外形寸法は高さ１１ｍｍ、幅５６ｍｍ、長さ５０ｍｍであり、蒸発室９０Ａの内壁に密着した状態で収まるように、特に高さ寸法が精密に作製されている。ウィック４７の上面と下面（蒸発室９０Ａの上面と下面に接する面）には幅１ｍｍ、深さ２ｍｍの蒸気通路（グルーブ）４５が、３ｍｍピッチで１５本ずつ形成されている。ウィック４７の中央部には、液管１３から供給される作動液４９をウィック４７の内部に引き込むため、高さ３ｍｍ、幅４０ｍｍ、長さ４０ｍｍの液供給通路８６が設けられている。【００３４】
蒸発器８０と凝縮部１１（図２参照）を結ぶ蒸気管８４、液管８３は、ともに外径６ｍｍ、内径５ｍｍ、長さ約３００ｍｍの銅パイプとした。凝縮部１１は、蒸気管８４や液管８３と同様に、外径６ｍｍ、内径５ｍｍ、長さ４００ｍｍの銅パイプであり、パイプの周囲に放熱フィンを熱的に接続し、送風ファン１２で冷却するようにした。【００３５】
第２実施例では、作動流体８９としてｎ−ペンタンを使用する。ペンタンの大気圧下での沸点は約３６℃であるが、ループ型ヒートパイプ１の作動時には、作動流体８９の温度は５０〜７０℃付近となるため、ペンタンの蒸気圧は大気圧以上となる。一方、第２流体室９０Ｂには、あらかじめ第２流体として１ｃｃのブタンが封入されている。第２流体室９０Ｂへのブタンの封入は、ループ型ヒートパイプの作動流体を封入するのと同様の手法で、内部空間を真空状態にしたのち、第２流体(ブタン)のみを封入する。第２流体は、発熱体（電子部品）２０の作動時には気相が優勢となるが、作動時、非作動時を通してその少なくとも一部は液相である。【００３６】
図１１Ａ及び図１１Ｂは、第２実施例の効果を説明するための模式図である。第２流体にブタンを用いた場合、同一温度におけるブタンの飽和蒸気圧は、作動流体であるｎ−ペンタンの飽和蒸気圧よりも高いが、動作停止時には第２流体室９０Ｂに変形はない。加熱時には、蒸発器ケース９０の作動流体側（蒸発室９０Ａ）と第２流体側（第２流体室９０Ｂ）の温度がほぼ同一であるとするならば、隔壁９１は、圧力が低い側、すなわちウィック４７が設置されている蒸発室９０Ａ側に押圧される。温度が高くなるほど作動流体８９と第２流体１００の圧力差は大きくなるため、蒸発器ケース９０が発熱体２０からの熱を受けて高温になるにつれて、隔壁９１はウィック４７により密着する。このとき、図１１Ｂに示すように、蒸発室９０Ａと第２流体室９０Ｂとの内圧の差よりも、第２流体室９０Ｂと大気圧との差のほうが大きいため、第２流体室９０Ｂの上面９３は外側に向けて湾曲するが、隔壁９１もまた、蒸発室９０Ａ側に向かって膨張するのでウィック４７との密着性は向上する。【００３７】
図１２Ａ及び図１２Ｂは、第２実施例の蒸発器の変形例を示す図である。第２実施例では、隔壁９１の厚さを蒸発器ケース９０の壁厚と同じ２ｍｍとしたが、変形例では、蒸発器８０ａの蒸発室９０Ａと第２流体室９０Ｂを隔てる隔壁９１ａの厚さを、蒸発器ケース９０の壁厚よりも薄く、たとえば１ｍｍに設定する。このように構成することによって、動作停止時には第２流体室９０Ｂに変形はないが（図１２Ａ）、加熱時には隔壁９１ａが変形しやすくなり、より強い力で隔壁９１ａとウィック４７を密着させることができる（図１２Ｂ）。【００３８】
図１３Ａ及び図１３Ｂは、第２実施例の蒸発器８０の搭載例を示す図である。ループ型ヒートパイプ１の蒸発器８０は、サーマルグリース２１を介して、プリント基板３０上の電子部品２０上に配置され、取り付けネジ３１によりプリント基板３０に固定される。蒸発器８０の発熱量は、第２実施例では約６０Ｗである。このとき、図示しない凝縮部１１を送風ファン（φ９０ｍｍ、１２Ｖ駆動）１２によって室温下（２５℃）で冷却する。発熱部品２０から蒸発器ケース９０に伝わる熱により、ウィック４７に含浸された作動液が気化されるとともに、第２流体質９０Ｂに封入されている作動液よりも飽和蒸気圧の大きい第２流体も気化し、隔壁９１を蒸発室９０Ａ側のウィック４７に対して押圧する。【００３９】
図１４は、第２実施例のループ型ヒートパイプの冷却性能を示すグラフである。比較例として、図１Ａ〜図１Ｃに示した従来のウィック構造を組み込んだループ型ヒートパイプを作製し、作動実験を行って、第２実施例のループ型ヒートパイプ１と冷却性能を比較した。グラフの横軸は、ヒータ加熱量（電子部品の発熱量）、縦軸は、蒸発器８０と凝縮部１１の熱抵抗を示す。熱抵抗は、蒸発器８０の受熱面８２の温度と凝縮部１１の平均温度の差を発熱体２０の熱量で除した値である。熱抵抗値が低いほど、すなわち、受熱面８２と凝縮部１１の温度差が小さいほど、蒸発器８０から凝縮部１１に効率よく熱が伝達され、高い冷却性能を持つことを示す。【００４０】
従来技術のループ型ヒートパイプの場合、発熱量が高くなるほど、蒸発器の温度が高くなることによって、図１Ｃのように蒸発器ケース１００１とウィック１００７の隙間が拡大し、冷却性能が低下（熱抵抗が増大）する。これに対し、第２実施例の場合は、発熱量が高くなって蒸発器の温度が高温となった場合でも、図１１Ｂあるいは図１２Ｂに示すように、蒸発器ケース９０内の隔壁９１、９１ａとウィック４７の熱接触は良好に保たれた状態を維持できるため、高い冷却性能を保つこと（熱抵抗を低く維持）が可能である。【００４１】
このような効果を裏付けるために、作動流体にペンタンを用いた場合の幅５６ｍｍのＣｕ製蒸発器ケース９０の変形量を計算した。図１に示す従来の構成では、ＬＨＰ作動時（７０℃付近）における大気圧と蒸発器ケース内の圧力との差は０．２ＭＰａとなるため（図４参照）、ケースは外側に９５μｍ膨張・変形する。これにより、ケースとウィックの熱接触が得られず、熱抵抗が増大すると考えられる。他方、図１１に示すように、第２流体室９０Ｂにブタンを封入した場合、第２流体室９０の内圧に比べて、蒸発室９０Ａの内圧は０．５ＭＰａ低くなる。蒸発室９０Ａ内にウィックがないとしたら、蒸発器ケースの隔壁９１は蒸発室９０Ａ側に１４０μｍ張り出すことになるが、蒸発室９０Ａ内にウィック４７があるため、隔壁９１がウィック４７に押し付けられ、密着性が向上すると考えられる。【００４２】
また、図１４のグラフと図７のグラフを比較するとわかるように、第２実施例の蒸発器構成を採用した場合、第１実施例の蒸発器構成よりも、さらに高い冷却効果を達成することができる。【００４３】
第１実施例及び第２実施例では、熱伝導面積の大きい蒸発器ケースの上面、すなわち受熱面と反対側の面にだけ第２空間を設けて二重構造としたが、蒸発室（第１空間）の一方または両方の側壁をもカバーするように第２空間を形成してもよい。蒸発室（第１空間）の上面及び両側壁をカバーして第２空間を形成する場合は、蒸発器の受熱面を除く３面にわたって二重構造が採用されることになる。この場合、ウィックと蒸発室との熱密着はさらに向上する。【００４４】
この国際出願は、２０１０年３月２９日に日本国に出願された特許出願２０１０−０７５４４３の優先権を主張し、その全内容はこの国際出願に参照により組み込まれるものとする。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明にかかるループ型ヒートパイプは、電子機器等、種々の発熱体の冷却装置に適用可能である。
【符号の説明】
【００４６】
１  ループ型ヒートパイプ
１０、８０  蒸発器
１３、８３  液管
１４、８４  蒸気管
２０  発熱体（電子機器）
４０、６０、７０、９０  蒸発器ケース
４０Ａ，６０Ａ、７０Ａ、９０Ａ  蒸発室（第１空間）
４２、８２  受熱面
４７  ウィック
４９、８９  作動流体
４０Ｂ、６０Ｂ、７０Ｂ  圧力調整室（第２空間）
５１、６１、７１、９１、９１ａ  隔壁
５５、６５、７５  圧力調整穴（連通穴）
９０Ｂ  第２流体室（第２空間）
１００  第２流体
１００ａ  気相状態の第２流体
１００ｂ  液相状態の第２流体
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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